(57)【要約】【課題】  従来の潜熱蓄熱装置では、熱交換時の伝熱効率が低いことや、単位体積当りの蓄熱密度が小さいといった課題があった。【解決手段】  酢酸ナトリウム三水和物１００重量部と、水を３０〜６０重量部と、０．６〜２．０重量部を含む蓄熱材を用いて蓄熱装置を構成する。マイクロカプセル化が不要であり、かつ、流動させながら蓄熱剤と被加熱流体とを熱交換することが可能となり、製造コストが安く、熱効率の高い蓄熱装置が提供できる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酢酸ナトリウム三水和物、水、キサンタンガムから構成され、
定常流粘度測定における粘度が、せん断速度１０００（１／ｓ）において、３００mＰａs以下であり、
かつ、粘弾性測定における損失正接（ｔanδ）が、周波数０．０３２（Hz）において、１以下であることを特徴とする特徴とする、蓄熱材。
【請求項２】
酢酸ナトリウム三水和物１００重量部と、
水を３０〜６０重量部と、
キサンタンガム０．６〜２．０重量部から構成される、前記請求項１に記載の蓄熱材。
【請求項３】
請求項１または２に記載の前記蓄熱材を貯蔵する蓄熱材貯蔵容器と、
前記蓄熱材貯蔵容器と蓄熱材加熱部とを配管を介して接続し、前記蓄熱材を循環させる蓄熱サイクルと、
前記蓄熱材貯蔵容器と、前記蓄熱材から放熱させて熱媒体を加熱する蓄熱材放熱部とを配管を介して接続し、前記蓄熱材を循環させる放熱サイクルとを有する蓄熱装置。
【請求項４】
請求項３に記載の蓄熱装置に加えて、さらに、ヒートポンプサイクルを備え、前記蓄熱材加熱部が前記ヒートポンプサイクルの放熱部であるヒートポンプシステム。
【請求項５】
請求項４に記載の蓄熱装置に於いて、前記蓄熱材加熱部が太陽熱集熱部であるソーラーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酢酸ナトリウム三水和物を主成分とする蓄熱材と、この蓄熱材を用いて高密度の蓄熱をする装置、これを用いたヒートポンプシステムまたはソーラーシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１にあるように、パラフィン等の潜熱蓄熱材をマイクロカプセルに封入し、水と混合してスラリー状態としたマイクロカプセルスラリーを用い、熱交換器を介して冷水または温水と流動熱交換させることで、潜熱蓄熱材の潜熱および顕熱を利用して蓄熱、放熱を行う、というシステムがあった。
【０００３】
図８は特許文献１に記載された従来のシステムの１例を示す構成図である。図８において、蓄熱時には、マイクロカプセルスラリー２は、熱交換器５において冷水と熱交換することにより冷却され、潜熱蓄熱材が液相から固相へ変化する際に冷熱を蓄え、潜熱蓄熱槽１に戻される。
放熱時には、スラリーは循環回路３を切り替えて、固相へ変化したマイクロカプセルスラリー２を熱交換器５へ供給し、熱交換器５では冷水循環回路３を切り替えて、負荷からの戻り冷水とマイクロカプセルスラリー２が熱交換して、潜熱蓄熱材が固相から液相へ変化する際の冷熱を冷水に与える。相変化したマイクロカプセルスラリー２は潜熱蓄熱槽１へ戻される。
【特許文献１】特開平１０−３３２１７７号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献１にある従来のマイクロカプセルスラリーを用いた潜熱蓄熱システムでは、マイクロカプセルに封入する潜熱蓄熱材としてテトラデカン、ペンタデカン等のパラフィン系蓄熱材を用いている為、単位体積当りの蓄熱密度が水和物や糖アルコール等といった他の潜熱蓄熱材と比較して小さいという課題があった。
【０００５】
また、潜熱蓄熱材をマイクロカプセルに封入するという作成プロセスが必要となり、装置のコストが高くなる原因となっていた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、単位体積当りの蓄熱密度が大きく、作成が容易な蓄熱材と、この蓄熱材を用いた蓄熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明においては、
酢酸ナトリウム三水和物、水、キサンタンガムから構成され、
定常流粘度測定における粘度が、せん断速度１０００（１／ｓ）において、３００mＰａs以下であり、かつ粘弾性測定における損失正接（ｔanδ）が、周波数０．０３２（Hz）において、１以下であることを特徴とする特徴とする、蓄熱材を用いている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の蓄熱材においては、潜熱蓄熱材である酢酸ナトリウム三水和物の単位体積当りの蓄熱密度が大きい為、蓄熱装置を小型化することが可能となる。
【０００９】
また、酢酸ナトリウム三水和物をマイクロカプセル化する必要がない為、蓄熱材の作成が容易であり、製造コストを低減することができる。
【００１０】
また、給湯や暖房利用における一般的な蓄熱材使用温度範囲である５℃から９０℃において、蓄熱材が液体又は固液共存状態で存在する為、蓄熱材を流動させながら水等の被加熱流体と熱交換を行うことが可能となり、伝熱効率良く被加熱流体と熱交換することが可能となる。
【００１１】
また、蓄熱材貯蔵容器１０２内において、容器下部から上部にかけて蓄熱材温度の高くなる安定な温度成層を形成することにより、蓄熱時の熱効率を高くすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
(実施の形態１)
本発明の蓄熱材は、
酢酸ナトリウム三水和物、水、キサンタンガムから構成され、
定常流粘度測定における粘度が、せん断速度１０００（１／ｓ）において、３００mＰａs以下であり、かつ粘弾性測定における損失正接（ｔanδ）が、周波数０．０３２（Hz）において、１以下であることを特徴とする、蓄熱材を用いている。
【００１３】
また、本発明の蓄熱材組成は、
酢酸ナトリウム三水和物１００重量部と、
水を３０〜６０重量部と、
キサンタンガム０．６〜２．０重量部から構成される組成であってもよい。
【００１４】
酢酸ナトリウム三水和物の単位体積当りの蓄熱量は約３４０ｋJ／Lと大きい為、
本発明の蓄熱材を用いることにより、蓄熱装置を小型化することが可能となる。
【００１５】
また、給湯や暖房利用における一般的な蓄熱材使用温度範囲である５℃から９０℃において、蓄熱材が液体又は固液共存状態で存在する為、蓄熱材を流動させながら水等の被加熱流体と熱交換を行うことが可能となり、伝熱効率良く被加熱流体と熱交換することが可能となる。
【００１６】
本発明における蓄熱材の粘度は、測定温度２５℃、測定せん断速度１０００（１／ｓ）において、３００mＰａ以下であるが、これ以上の粘度になると、汎用ポンプであるマグネットポンプ等を用いる場合にポンプ動力の負荷が大きくなり、搬送に必要なエネルギー消費量が増えてしまう為、好ましくない。
【００１７】
また、蓄熱材にキサンタンガムを加えることで、蓄熱材に弾性的性質を持たせていることにより、蓄熱材中の酢酸ナトリウム三水和物の結晶粒子が蓄熱材貯蔵容器内で蓄熱材貯蔵容器底部に沈降しにくい。
【００１８】
その結果、蓄熱材貯蔵容器内において蓄熱材が温度成層を形成することが可能となり、蓄熱材を熱効率良く蓄熱材貯蔵容器内に貯蔵することが可能となる。
【００１９】
一般に、粒子の沈降性を評価する指標として、損失正接：ｔanδ（損失弾性率／貯蔵弾性率）が知られている。本系のような貯蔵容器内での粒子の自然沈降現象においては、測定周波数が非常に小さい領域（〜０．１Ｈz）で、ｔanδが１以下（弾性的）である方が、粒子は沈降しにくい。本発明における蓄熱材のｔanδは、測定温度２５℃、測定周波数０．０３２（Hz）において、１以下であり、蓄熱材は弾性的性質により支配されている為
、固体粒子は沈降しにくい。
【００２０】
図１に本発明の蓄熱材を用いた蓄熱装置の実施の形態の一例を示す。
【００２１】
本実施形態の蓄熱装置は、図１に示すように、蓄熱材を貯蔵する蓄熱材貯蔵容器１０２と、蓄熱材を加熱する蓄熱サイクル１１と、蓄熱材を放熱する放熱サイクル１３とを有する。蓄熱材貯蔵容器１０２には蓄熱材が充填されている。容器１０２内では、容器下部から上部にかけて温度が次第に高くなる温度分布を持たせた状態で蓄熱材が充填されている。すなわち、容器１０２内では、安定な温度成層が形成されている。
【００２２】
次に、蓄熱サイクル１１を用いた蓄熱材に蓄熱するステップについて説明する。
【００２３】
蓄熱サイクル１１は、蓄熱材貯蔵容器１０２と蓄熱材加熱部１０１とが配管１０３によって接続され、蓄熱材が循環するように構成されている。蓄熱材を循環させるための搬送手段としては、蓄熱サイクル用ポンプ１０４が設けられている。
【００２４】
ここで、蓄熱材貯蔵容器１０２と配管１０３との接続については、蓄熱材貯蔵容器１０２の下部に、配管が接続され、容器内部で比較的低温の蓄熱材が加熱用（蓄熱用）に取り出されるように構成されている。逆に、蓄熱材加熱部１０２を経由して加熱された蓄熱材は容器１０２内部で最も高温の上部に戻るように容器１０２と配管１０３は接続されている。
【００２５】
蓄熱用加熱部１０１において蓄熱材は加熱され、蓄熱材中の酢酸ナトリウム三水和物が固相から液相へ相変化する際の潜熱、および蓄熱材の固相、液相における顕熱を利用して蓄熱が行われる。
【００２６】
加熱（蓄熱）された前記蓄熱材は、前記蓄熱サイクル用ポンプ１０４により、前記蓄熱用加熱部１０１から前記蓄熱材貯蔵容器１０２上部に向かって配管１０３を搬送され、蓄熱材容器上部に搬送される。こうして、蓄熱材貯蔵容器１０２内において、容器下部から上部にかけて蓄熱材温度の高くなる安定な温度成層が形成される。
【００２７】
次に、放熱サイクル１３を用いた蓄熱材放熱ステップについて説明する。
【００２８】
放熱サイクル１３は、蓄熱材貯蔵容器１０２と蓄熱材放熱部１０５とが、配管１０６で接続され、蓄熱材を搬送することができるように構成されている。蓄熱材搬送手段としては、放熱サイクル用ポンプ１０７が配管１０６に接続され、蓄熱材を搬送する。また、蓄熱材放熱部１０５においては、蓄熱材の熱が熱媒体に与えられる。
【００２９】
蓄熱材貯蔵容器１０２と配管１０６は、容器１０２の上部に接続され、容器内部の比較的高温の蓄熱材が放熱サイクル１３に放出されるように構成されている。
【００３０】
蓄熱材放熱器１０５において、蓄熱材は前記熱媒体に熱を奪われ、蓄熱材中の酢酸ナトリウム三水和物が液相から固相へ相変化する際の潜熱、および（溶媒を含む←消去）蓄熱材の固相、液相における顕熱を利用して熱媒体を加熱する。本実施形態の蓄熱装置は、配管１０８と蓄熱材放熱部１０５と、配管１０８とを接続した熱媒体流路１４を有している。熱媒体流路１４を流れる熱媒体は、蓄熱材放熱部１０５で加熱される。加熱された熱媒体は、空調や給湯等に用いられる。
【００３１】
また、放熱した蓄熱材は、前記蓄熱材放熱部１０５から前記蓄熱材貯蔵容器１０２下部に向かって搬送され、前記蓄熱材貯蔵容器１０２内において、容器下部から上部にかけて
蓄熱材温度の高くなる安定な温度成層を形成する。
【００３２】
なお、本実施の形態においては、蓄熱材の過冷却現象を抑制する為に、燐酸三ナトリウム十二水和物等の過冷却防止剤を添加してもよい。
【００３３】
なお、本実施の形態においては、蓄熱材の腐敗を抑制する為に、次亜塩素酸ナトリウム等の防腐剤を添加してもよい。
【００３４】
なお、本実施の形態においては、蓄熱材による蓄熱システム構成材料の腐食を抑制する為に、腐食抑制剤を添加してもよい。
【００３５】
(その他の実施形態)
実施の形態１の蓄熱装置における蓄熱材加熱部１０１としては、種種の形態が考えられる。
【００３６】
その一つとしては、ヒートポンプの放熱器を用いることができる。図２は、ヒートポンプサイクル１９を用いた構成例である。ヒートポンプサイクル１９は、冷媒を圧縮する圧縮機１２２と、蓄熱材加熱部１０１をかねる冷媒放熱器１２１と、冷媒の膨張機構１２４と、冷媒を蒸発させる蒸発器１２３とを順次接続する冷媒配管１２５から構成される。ヒートポンプは加熱時のエネルギー効率が非常に優れている為、蓄熱材加熱部１０１としてヒートポンプの放熱器を用いることにより、前記蓄熱材に蓄熱を行う際に必要となる入力エネルギーを少なくすることができる。これによって、本蓄熱装置の動作に必要な消費電力を少なくすることができる。
【００３７】
なお、蓄熱用加熱部１０１としてヒートポンプサイクルの冷媒は特に限られたものではなく、例えば、二酸化炭素やＨＦＣ等の冷媒を用いた構成でよい。
【００３８】
蓄熱材加熱部１０１の別の形態としては、図３に示すように、太陽熱集熱器１３１を用いることもできる。すなわち、図３の蓄熱装置は、ソーラーシステムとして利用できる。太陽熱集熱器１３１を前記蓄熱用蓄熱材加熱部に用いることにより、前記蓄熱材に蓄熱するために必要な消費エネルギーを太陽エネルギーで賄うことができるため、本蓄熱装置の動作に必要な消費電力を少なくすることができる。
【００３９】
（実施例１）
次に本実施の形態のより具体的な構成例である実施例１について説明する。
【００４０】
本実施例では、酢酸ナトリウム三水和物、水、キサンタンガムから構成される蓄熱材を用いている。その重量組成比は、酢酸ナトリウム三水和物１００重量部に対して、水を３０〜６０重量部と、キサンタンガム０．６〜２．０重量部から構成される。酢酸ナトリウム三水和物は常温で無色の単斜晶系柱状結晶であり、単体で約２６０ｋＪ／ｋｇという大きな潜熱を有している。さらに、酢酸ナトリウム三水和物の固体密度および液体密度はそれぞれ約１．５ｋｇ／Ｌ、約１．３ｋｇ／Ｌである為、単位体積当りの蓄熱密度が約３４０ｋＪ／Ｌと大きい。これは氷の蓄熱密度約３３０ｋＪ／Ｌと同程度以上の潜熱量であり、蓄熱材として優れた性能を有している。
【００４１】
図４に酢酸ナトリウムー水系の二元状態図を示す（以下の文献を参照：「潜熱蓄熱材料」和田隆博、松永浩二、木村文子、山本涼市、楠田隆男、伊勢悠紀彦 National Technical Report Vol. 29 No. 1 Feb. 1983）。酢酸ナトリウム三水和物は、酢酸ナトリウムと水との化合物である。図４では、横軸は酢酸ナトリウム−水系二元状態における酢酸ナトリウムの重量濃度を、縦軸は温度を示している。横軸の酢酸ナトリウムの重量濃度が６０．
２８％の時が、酢酸ナトリウム三水和物の組成となる。図４によれば、酢酸ナトリウム三水和物単体、すなわち図４において横軸約６０％から縦軸方向に垂直に立ち上がっている線上では、固液共存状態となる温度が融点（あるいは凝固点とよぶ）に限られてしまい、凝固点より低い温度では全てが固体となってしまうため、流動性を持たない。これに対して、図４のＡの領域、すなわち、酢酸ナトリウムの濃度が３０％以上６０％以下の領域においては、ある温度範囲で、酢酸ナトリウム三水和物と酢酸ナトリウム水溶液との固液共存状態(スラリー状態)とすることができ、流動性を持たせることができる。そこで、本実施例においては、酢酸ナトリウム三水和物に水を加えることにより、Ａの領域の組成範囲としている。Ａの組成範囲の中でもより望ましいのは、酢酸ナトリウムの濃度が３７．５％以上４６％以下の領域である。これは、水１００重量部に対して酢酸ナトリウム三水和物３０〜６０重量部の濃度に相当する。この組成がより望ましい理由は、水の添加量が３０重量部以下になると、給湯や暖房利用における一般的な蓄熱材の使用温度範囲である５〜９０℃において、酢酸ナトリウム三水和物粒子同士が強固に凝集してしまう現象が起こり、流動性を持たなくなってしまうからである。また、水の添加量が６０重量部以上になると、蓄熱材の蓄熱量が大幅に減少してしまうからである。
【００４２】
ただし、上記のように、酢酸ナトリウム三水和物の固体密度は液体密度より大きく、かつ、水の密度よりも大きい為、酢酸ナトリウム三水和物と水を混合しただけの蓄熱材では、たとえ、Ａの組成範囲であっても、固体粒子がすぐに沈降してしまい、固液共存状態において、液相と固相が分離してしまう。そこで、本実施例においては、増粘剤として、キサンタンガムを添加することにより、蓄熱材の粘度を増加させ、ある程度の弾性的性質を持たせることによって、固体粒子の沈降を防止している。
【００４３】
以下に本発明の実施例１における蓄熱材について、特性を評価した結果について説明する。まず、蓄熱剤のサンプル作製方法としては、次のとおりである。
【００４４】
第１の工程として、イオン交換水と、キサンタンガムを混合する。後で加える酢酸ナトリウム三水和物１００重量部に対して、３０〜６０重量部の割合のイオン交換水と、０．５から２．０重量部の割合のキサンタンガム（CP KELCO社製、商品名「ケルザン」）とをミキサーを用いて、２０分間混合攪拌した。
【００４５】
次に、第２の工程として、攪拌後の液体に、酢酸ナトリウム三水和物（ＣＨ３ＣＯＯＮａ・３Ｈ２Ｏ：関東化学（株）社製）１００重量部を添加し、さらに１０分間攪拌し、三成分を均一に混合した。
【００４６】
このようにして得られた各サンプルについて、定常流粘度測定および粘弾性測定を行った。測定には、回転式レオメータ（Haake社製、商品名「レオストレス６００」）を用いて、４ｍｍφパラレルプレート利用し、ギャップ幅１ｍｍ、測定温度２５℃において行った。なお、定常流粘度測定の結果は、せん断速度１０００（１／ｓ）における値を、粘弾性測定の結果は、測定周波数０．０３２Hzにおける測定値をそれぞれ用いて評価した。
【００４７】
また、沈降試験として、各サンプルを内容積２０ｃｃの試験管内に取り、約２０℃の室温にて２４時間放置した際の粒子の沈降状況を目視で観察した。
【００４８】
図５に、各サンプルの定常流粘度測定の結果を示す。図５は、各サンプルについて、酢酸ナトリウム三水和物に添加した水に対するキサンタンガムの濃度を横軸にとり、粘度を縦軸にとって整理したグラフである。なお、図５では、酢酸ナトリウムに対する水の量は一定ではない。図５より、水に対するキサンタンガム濃度が約３．３％以上では、粘度が３００mＰａs以上となってしまい、蓄熱材搬送時のポンプ動力の負荷が大きくなってしまうことが分かる。
【００４９】
図６に、各サンプルの粘弾性測定の結果を示す。図６は各サンプルについて、酢酸ナトリウム三水和物に添加した水に対するキサンタンガムの濃度を横軸にとり、損失正接：ｔanδを縦軸にとって整理したグラフである。なお、図６では、図５の場合と同様に、酢酸ナトリウムに対する水の量は一定ではない。
【００５０】
図６より、水に対するキサンタンガム濃度が約２．３％未満では、ｔanδが１以上となってしまい、粒子が沈降しやすくなっていることが分かる。
【００５１】
図７に、各サンプルの、定常流粘度測定および粘弾性測定および沈降試験結果を示す。沈降状況の評価においては、沈降が確認されたサンプルには×を、確認されなかったサンプルには○を記している。また、図の−は、測定データがないことを示している。ｔａｎδが１よりも小さい値であったサンプルにおいては、いずれも沈降は確認されなかったが、その他のサンプルでは粒子の沈降が確認された。
【００５２】
以上より、酢酸ナトリウム三水和物粒子の沈降を防止でき、かつ汎用ポンプで搬送する際のポンプ動力が大きくならない為に、必要な蓄熱材の組成は、酢酸ナトリウム三水和物１００重量部に対して、水３０〜５０重量部を添加し、上記添加した水に対して、２．３〜３．３％の範囲の量のキサンタンガムを添加した組成となる。すなわち、酢酸ナトリウム三水和物１００重量部と、水を３０〜５０重量部と、キサンタンガム０．６〜２．０重量部から構成される組成となる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の蓄熱材およびこれを用いた蓄熱装置は、蓄熱式給湯機や蓄熱式冷暖房機といった、蓄熱を利用する装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態における蓄熱材を用いた蓄熱装置の構成図
【図２】本発明の一変形例の蓄熱装置の構成図
【図３】本発明の一変形例の蓄熱装置の構成図
【図４】酢酸ナトリウム―水系の二元状態図
【図５】本発明の実施例１における実験結果を示した第一の図
【図６】本発明の実施例１における実験結果を示した第二の図
【図７】本発明の実施例１における実験結果を示した第三の図
【図８】特許文献１に記載された従来のシステムの１例を示す構成図
【符号の説明】
【００５５】
１１  蓄熱サイクル
１３  放熱サイクル
１４  熱媒体加熱流路
１５  熱媒体加熱サイクル
１７  放熱器加熱サイクル
１９  ヒートポンプサイクル
１０１  蓄熱材加熱部
１０２  蓄熱材貯蔵容器
１０３  配管
１０４  蓄熱サイクル用ポンプ
１０５  蓄熱材放熱部
１０６  配管
１０７  放熱サイクル用ポンプ
１０８  配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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